CN113589270B - 一种毫米波雷达非直视多目标定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种毫米波雷达非直视多目标定位方法，应用于城市环境拐角后的非直视目标定位技术领域，针对现有技术缺少精准定位非直视多目标的算法方案的问题，本发明利用毫米波雷达对隐藏在拐角后的多个非直视目标进行准确定位；根据电磁波的传播现象，分析了多径信号主要传播路径为双程一次反射路径；本发明通过联合所有通道相位信息应用非参数化的最小方差无失真响应算法估计镜像目标到达角；结合场景几何先验信息，通过坐标转换、镜像映射等处理完成了非直视多目标准确定位。

Description

一种毫米波雷达非直视多目标定位方法

技术领域

本发明属于目标定位技术领域，特别涉及一种城市拐角场景下的目标定位技术技术。

背景技术

城市环境下的非直视目标检测和定位在城市巷战、反恐维稳、目标救援等领域有广泛的应用。传统雷达通常探测直视(Line of Sight,LOS)下的目标，而城市环境下的非直视(Non-Line of Sight,NLOS)目标因为存在建筑物的遮挡，电磁波无法直接到达位于探测盲区的目标，导致利用电磁波“直视探测”方式失效，只能采用“非直视”的多径探测方式。非直视多径探测主要利用电磁波在复杂环境中的衍射、反射路径对建筑内非直视目标进行检测和定位，是雷达领域现阶段的研究热点和难点之一。

国内外许多研究机构开展了拐角场景的非直视目标探测定位。2019年，法国航空实验室学者应用手持式宽波束雷达提出了一种基于匹配子空间滤波方法的非直视目标检测定位方法(K.Thai,O.Rabaste,J.Bosse,et al.Detection-localization Algorithmsin the Around the-corner Radar Problem[J].IEEE Transactions on Aerospace andElectronic Systems,2019,55(6):2658-2673.)，实测实验证实了该方法能够实现拐角后非直视目标定位，但此方法计算探测区域匹配网格时计算量大，且定位结果残余了大量由多径回波强模糊引入的假目标。2020年，国防科技大学学者毫米波雷达放置在两个不同位置分别采集了目标的一次反射路径回波数据(H.Du,C.Fan,Z.Chen,C.Cao,and X.Huang,NLOS Target Localization with an L-Band UWB Radar via Grid Matching[J],Progress In Electromagnetics Research M,2020,pp.45-56.)，利用椭圆交叉定位方法实现了拐角后非直视单目标定位，但该方法需要移动探测雷达到两个站点，操作不便且易造成不同站点间探测结果不匹配的问题，因而难以对多目标进行准确定位。2020年，电子科技大学学者通过对目标的一次反射路径回波数据应用所提出的基于多通道相位比较的定位算法(S.Guo,Q.Zhao,G.Cui,S.Li,L.Kong and X.Yang,Behind Corner TargetsLocation Using Small Aperture Millimeter Wave Radar in NLOS Urban Environment[J],IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and RemoteSensing,2020,pp.460-470.)，实现了拐角后非直视目标的定位，但受限于多通道比相方法的测向精度，其定位结果存在点迹扩展的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种毫米波雷达非直视多目标定位方法，采用MVDR测角方法结合几何先验信息，可以准确计算出隐藏在拐角后非直视目标的位置。

本发明采用的技术方案为：一种毫米波雷达非直视多目标定位方法，所述方法基于应用场景为：目标位于拐角后非直视位置，所述方法包括以下步骤：

S1、建立了基于一次反射路径的电磁传播模型，计算镜像目标的距离；

S2、对镜像目标距离单元处所有通道信号采用MVDR角估计方法，得到镜像目标方位角；

S3、结合场景几何先验信息，计算非直视目标的位置坐标。

步骤S1具体包括以下分步骤：

S11、采用动目标指示方法消除环境中静态杂波，保留动态目标的回波；

S12、采用脉冲压缩处理得到目标距离像；

S13对距离像进行非相干叠加，并采用一维单元平均恒虚警检测方法对积累后距离像检测获得镜像目标距离R。

步骤S2具体为：将经步骤S1处理后的距离像输入到MVDR波束形成空域滤波器中，计算输出信号平均功率，之后对平均功率进行谱峰搜索，找出峰值点对应的角度即当前帧镜像目标的方位角。

步骤S3具体为：结合目标距离检测算法中得到的镜像目标距离及镜像目标方位角，解算处镜像目标位置坐标，之后对镜像目标位置坐标进行坐标系转换，并利用建筑布局信息根据镜像目标与真实目标的镜像映射关系得到非直视目标的位置坐标。

本发明的有益效果：本发明利用毫米波雷达对拐角后的非直视多目标进行定位；根据电磁波的传播现象，分析了拐角场景的电磁波主要传播路径为一次反射路径；此外，本发明有效利用了MVDR测角方法实现了非直视多目标的精确定位。实测结果表明，本发明方法在应对拐角后非直视探测场景中能够获得多个目标精准的定位结果。

附图说明

图1为建筑拐角场景电磁波传播模型

图2为坐标转换示意图；

图3为实测试验场景图。

图4为三微动目标距离像。

图5为MVDR测角法定位结果。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

本发明的一种毫米波雷达的非直视多目标定位方法，基于的探测场景如图1所示，场景包含拐角C、墙体1和墙体2。采用MIMO雷达系统探测被隐藏的目标，雷达包含2个发射天线，4个接收天线，雷达天线间距为半波长距离，雷达放置在拐角的一侧，以天线阵列中心为原点(0,0)，以原点建立直角坐标系，其中，墙体1、2与坐标系y轴平行，墙体2距离y轴长度为4.5m。目标Q处于墙体1和墙体2通道间的NLOS区域，设定探测非直视目标Q只存在双程一次反射路径，电磁波传播过程可描述为电磁波从雷达发射经过墙体2的反射到目标位置处后沿原路返回到雷达，电磁波传播路径为：O→W→Q→W→O。本发明方法的处理流程包括以下步骤：

步骤1：非直视目标距离测量

为了能够消除雷达回波中背景静态杂波的影响，采用动目标指示(Moving TargetIndicator,MTI)方法消除环境中静态杂波，保留动态目标的回波。设电磁波经第m个天线发射、第n个天线接收的目标回波为z_m,n(t)，对于从第i个周期开始的两相邻回波信号，例如z_m,n(t,i)和z_m,n(t,i-1)，采用MTI方法可以表示为：

z'_m,n(t,i)＝z_m,n(t,i)-z_m,n(t,i-1)

其中，z'_m,n(t,i)代表MTI后的第i个周期的回波信号。

之后对MTI后的回波信号z'_m,n(t,i)采用脉冲压缩处理得到目标距离像。因此定义第m个天线发射、第n个天线接收的第i个数据周期的距离像数据为：

x_m,n(i)＝[x_m,n(i，1),…,x_m,n(i,j),…,x_m,n(i,N_c)]

这里x_m,n(i,j)代表第i个周期的第j个距离单元的幅值，N_c代表距离单元数。

为了能够提升目标的检测性能，对距离像x_m,n以N_T个周期为一帧进行非相干叠加，假定距离像x_m,n共有N_A个周期，那么经过多周期距离像积累后共有N_F＝N_A/N_T帧距离像。非相干叠加通常是以N_T个周期距离像取绝对值再进行累加来处理，则非相干叠加过程可以表示为：

其中，u_m,n(h)代表第h帧非相干叠加后的信号，h＝1,2,…,N_F，上式中|·|代表取绝对值。

本实施例中N_T取值为128。

对距离像进行非相干叠加后，采用一维单元平均恒虚警检测(Cell Averaging-Constant False Alarm Rate,CA-CFAR)方法对积累后距离像u_m,n(h)进行检测，可得到目标所在距离单元索引及距离值。对于积累后信号u_m,n(h)的第j个距离单元，检测门限TH_j可以表示为：

其中P_f代表虚警概率，N_r代表待检测单元u_m,n(h,j)中的参考单元数。

计算出检测门限后就可以根据自适应判断准则得到目标所在距离单元值，判断准则如下：

式中H₁表示有目标假设，H₀表示没有目标假设，对所有距离单元执行上式的判断准则，若为有目标假设，则保留距离单元索引可以得到第h帧检测到的目标距离R。

步骤2：非直视目标最小方差无失真响应法(Minimum Variance DistortionResponse,MVDR)测角

对于均匀线阵模型来说天线接收信号的方向向量a(θ)可定义为：

a(θ)＝[1 e^-jφ … e^-j(K-1)φ]^T

φ＝2πdsinθ/λ

其中，φ为相邻天线间的相位差。

之后采用最小方差无失真响应(MVDR)波束形成算法来估计目标信号方位角。MVDR波束形成中空域滤波器输出为：

y(j)＝w^Hx(j)

其中，w^H为共轭转置后的空域滤波器的权向量，且有w＝[w₁ w₂ … w_K]^T，T表示转置，H表示共轭转置，K为阵元数，信号x(j)是空域滤波器的输入信号，也是目标所在的第j个距离单元信号。

输出信号的平均功率P(θ)为：

P(θ)＝E{|y(j)|²}＝E{w^Hx(j)x^H(j)w}

＝w^HRw

其中，R＝E{x(j)x^H(j)}为空间自相关矩阵。

为了使MVDR空域滤波器的平均输出功率P(θ)最小，而其他方向的信号和噪声尽量抑制。构造一个条件极值问题为：

应用拉格朗日乘子法可以解出输出平均功率为：

在[-π，π]内改变a(θ)中θ，得到P_MVDR(θ)变化曲线，之后对P(θ)进行谱峰搜索，找出峰值点对应的θ即当前帧目标的方位角。

步骤3：非直视目标镜像映射位置获取

通过分析拐角场景的电磁传播路径，得到的目标距离及方位角均来自镜像目标Q'，可以计算出镜像目标的位置坐标(x',y')为：

为了便于分析，我们定义目标坐标在新的坐标系中，由图2可知，获得的镜像目标坐标是以雷达阵列视角建立的坐标系中，即X'OY'坐标系，因此可将镜像目标Q'所在X'OY'坐标系的坐标(x',y')转换到新坐标系XOY中，得到新坐标(x₀,y₀)，坐标转换公式如下所示：

其中，φ为雷达阵列方向与水平方向的夹角，实际定位中需要实验测量获得。得到镜像目标新坐标后，就可通过镜像对称原理结合几何信息得到真实目标的坐标(x,y)，计算公式如下：

这里L是墙体2到阵列中心的横向距离，属于先验已知信息。

下面根据实测试验给出本发明的具体实施方式。

对拐角后的多目标，其实测场景如图3所示，雷达高度为1.2m，若以雷达为中心原点，拐角C的坐标为(0.28,0.49)m，墙体2与雷达的横向距离为2.55m，雷达与水平方向夹角φ为46.6°。目标1位于(-3.2,3.9)m位置处，目标2位于(-1.9,2.57)m位置处，目标3位于(-2.6,5.58)m位置处。根据本发明的处理步骤：

步骤1：目标距离测量

首先通过MTI、脉冲压缩步骤得到三个目标的距离像，如图4所示。理论计算目标1、目标2、目标3的传播距离为6.98m、7.55m、8.49m，这和距离像中7.05m、7.55m、8.62m处的目标距离轨迹相匹配，每条距离轨迹对应的目标已在4中标注。经过CFAR检测后，可以得到目标距离值。

步骤2：采用MVDR测角方法计算目标到达角

步骤3：结合建筑布局信息计算目标位置

根据步骤1和步骤2可以计算目标距离和到达角，之后通过坐标转换、镜像对称等步骤得到目标位置，对于建筑外的假点可以参照先验信息去除，得到的定位结果如图5所示。

步骤4：计算目标定位误差

为了衡量MVDR测角定位方法的定位效果，计算采用MVDR定位方法的三个非直视目标的定位误差如下：

这里为每一帧目标位置的估计值，(x,y)为目标位置的真实值。

表1三微动目标平均定位误差

定位误差(m)	目标1	目标2	目标3
				MVDR法	0.154	0.090	0.167

按照定位误差公式计算MVDR定位方法的3个目标的平均定位误差，如表1所示。可以看出MVDR定位方法定位效果佳，3个目标平均定位误差均小于0.17m。

本发明提供的适用于拐角后的非直视多目标定位方法，能够精准的对拐角后多目标进行定位，验证了本发明的准确性和有效性。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种毫米波雷达非直视多目标定位方法，其特征在于，所述方法基于应用场景为：目标位于拐角后非直视位置，所述方法包括以下步骤：

S1、建立了基于一次反射路径的电磁传播模型，计算镜像目标的距离；

S2、对镜像目标距离单元处所有通道信号采用MVDR角估计方法，得到镜像目标方位角；步骤S2具体为：对于均匀线阵模型天线接收信号的方向向量a(θ)定义为：

a(θ)＝[1 e^-jφ … e^-j(K-1)φ]^T

φ＝2πdsinθ/λ

其中，φ为相邻天线间的相位差；

之后采用最小方差无失真响应波束形成算法来估计目标信号方位角；MVDR波束形成中空域滤波器输出为：

y(j)＝w^Hx(j)

其中，w^H为共轭转置后的空域滤波器的权向量，且有w＝[w₁ w₂ … w_K]^T，T表示转置，H表示共轭转置，K为阵元数，信号x(j)是空域滤波器的输入信号，也是目标所在的第j个距离单元信号；

输出信号的平均功率P(θ)为：

P(θ)＝E{|y(j)|²}＝E{w^Hx(j)x^H(j)w}

＝w^HRw

其中，R＝E{x(j)x^H(j)}为空间自相关矩阵；

为了使MVDR空域滤波器的平均输出功率P(θ)最小，而其他方向的信号和噪声尽量抑制；构造一个条件极值问题为：

应用拉格朗日乘子法可以解出输出平均功率为：

在[-π，π]内改变a(θ)中θ，得到P_MVDR(θ)变化曲线，之后对P(θ)进行谱峰搜索，找出峰值点对应的θ即当前帧目标的方位角；

S3、结合场景几何先验信息，计算非直视目标的位置坐标；步骤S3具体为：结合目标距离检测算法中得到的镜像目标距离及镜像目标方位角，解算处镜像目标位置坐标，之后对镜像目标位置坐标进行坐标系转换，并利用建筑布局信息根据镜像目标与真实目标的镜像映射关系得到非直视目标的位置坐标。

2.根据权利要求1所述的一种毫米波雷达非直视多目标定位方法，其特征在于，步骤S1具体包括以下分步骤：

S11、采用动目标指示方法消除环境中静态杂波，保留动态目标的回波；

S12、采用脉冲压缩处理得到目标距离像；

S13对距离像进行非相干叠加，并采用一维单元平均恒虚警检测方法对积累后距离像检测获得镜像目标距离R。

3.根据权利要求2所述的一种毫米波雷达非直视多目标定位方法，其特征在于，步骤S13具体为：对距离像进行非相干叠加，计算叠加后的信号中各距离单元对应的检测门限，若该距离单元的值大于或等于计算得到的检测门限，则表示该距离单元中存在目标，从而得到镜像目标距离，否则该距离单元中不存在目标。

4.根据权利要求3所述的一种毫米波雷达非直视多目标定位方法，其特征在于，具体距离单元的检测门限计算式为：

其中，P_f代表虚警概率，N_r代表待检测单元u_m,n(h,j)中的参考单元数。